CN110161498A - 一种基于rccd变换的逆合成孔径雷达定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于RCCD变换的逆合成孔径雷达定标方法，包括以下步骤：S100寻找包含有强散射点的回波距离单元，对每个包含有强散射点的回波距离单元分别进行信号调频率估计，得到估计结果；S200采用OLS算法，将步骤S100中计算得到的各回波距离单元调频率估计结果进行拟合，并根据拟合结果计算目标RV；S300获得ISAR图像的方位维分辨率；获得ISAR图像的距离维分辨率；进行ISAR图像重排，完成图像定标。本发明所设计的方法可以有效估计ISAR图像的方位维分辨率，对原始ISAR图像的方位维尺度进行标注并对原始ISAR图像进行重排，以适应目标的真实尺寸比例。

Description

一种基于RCCD变换的逆合成孔径雷达定标方法

技术领域

本发明属于雷达成像技术领域，特别是涉及一种基于RCCD变换的逆合成孔径雷达定标方法。

背景技术

ISAR是一种典型的新体制雷达，具有对目标进行高分辨率二维成像的能力。其中，距离维高分辨主要依赖于发射大时宽带宽积信号；而方位维高分辨则是利用运动目标的多普勒效应实现的。由于ISAR成像目标往往为非合作目标，其RV及所产生的方位维分辨率均是未知的。这样，一方面原始ISAR图像的距离维与方位维的分辨率不同，造成目标图像的尺寸比例的失调；另一方面也无法进行方位维尺度标注，无法判读目标的方位维尺寸。因此，有必要对ISAR进行定标，估计其方位维分辨率。

现有的ISAR定标技术，主要可分为两大类。第一类方法是利用窄带雷达对目标进行跟踪，估计目标的运动状态，并根据估计结果，计算方位维分辨率。该类方法具有定标精度高、运算量小的优点，但是由于需要外部的窄带雷达信息，其硬件成本较高、电磁兼容性较差。第二类方法通过对ISAR回波信号进行信号处理以实现定标，包括多特显点干涉定标技术及随机霍夫变换技术等。第二类方法虽然不依赖于外部设备，但计算复杂度较高，且定标精度有改进的空间。

发明内容

本发明公开了一种基于RCCD变换的逆合成孔径雷达定标方法，属于背景技术中的第二类方法。相对于已有方法，本方法有效提高了定标精度、降低了运算复杂度，在一定程度上，解决了第二类方法计算复杂度较高、定标精度有待提升的问题。

本发明通过以下技术方案实现：一种基于RCCD变换(Radon-Cubic ChirplaetDecomposition,Radon-三阶小波变换)的逆合成孔径雷达定标方法，所述逆合成孔径雷达定标方法包括以下步骤：

S100信号调频率估计：基于信号能量，寻找包含有强散射点的回波距离单元，对每个包含有强散射点的回波距离单元分别进行信号调频率估计，针对回波信号形式为线性调频信号这一特点，采用RCCD变换实现对信号的调频率估计，得到估计结果；

S200目标RV(目标转动速度)估计：采用OLS算法(Ordinary Least Squares，最小二乘算法)，将步骤S100中计算得到的各回波距离单元调频率估计结果进行拟合，并根据拟合结果计算目标RV；

S300分辨率计算及ISAR图像重排：将目标RV计算结果代入方位维分辨率计算公式，获得ISAR图像的方位维分辨率；将信号参数信息代入距离维分辨率计算公式，获得ISAR图像的距离维分辨率；根据计算方位维分辨率及距离维分辨率进行ISAR图像重排，完成图像定标。

进一步的，在步骤S100中，采用RCCD变换实现对信号的调频率估计。

进一步的，在步骤S200中，平稳运动目标的RV为恒定值时，通过拟合结果中的一次项系数计算得到；非平稳运动目标的RV为时变值时，通过拟合结果结合信号调频率估计结果进行计算得到。

进一步的，在步骤S100中，还包括以下步骤：

S110构造三阶小波基对回波信号进行表示：

所构造的三阶小波基为：

式中：σ_k、t_k、α_k,β_k,γ_k分别为宽度因子，中心时间，初频率，调频率，调频变化率，

利用所构造的三阶小波基对回波信号进行表示，即：

式中：S(n)为待估计信号；A_k为该信号在对应小波基上的投影，

S120估计相位参数(α_k,β_k,γ_k):

首先，对待估信号进行ICPF变换，即：

经过ICPF变换(improved cubic phase function，改进三阶相位函数)，回波信号能量集中于直线v＝2β_k+6γ_kn，即：待估信号在n-v平面上表现为若干条直线，

继而，可以采用Radon变换(一种积分变换)进行图像直线检测，Radon变换的公式为：

式中：p、q分别为直线的截距和斜率，经过Radon变换，回波信号能量已集中于某一点，表现在p-q平面上为尖峰，

然后进行二维谱峰搜索估计信号调频率与调频变化率，即：

式中：即为p-q平面上峰值坐标，

最后消除高阶相位项，对信号初频率进行估计，即：

S130估计幅度参数(t_k,σ_k,A_k)：

在对相位参数完成估计后，需要消除所估计的信号相位项，以避免其对幅度参数估计所产生的影响，即：将回波信号与相位估计项共轭相乘，如下式所示，

则，信号中心时间t_k可估计为：

信号尺度因子σ_k可估计为：

信号投影强度A_k可估计为：

公式(3)至公式(12)实现了对一个三阶小波基的参数估计，当回波信号包含有多个小波基时，采用CLEAN技术去除已估计的小波基分量，重复采用公式(3)至公式(12)对其他小波基进行参数估计，直到完成对回波信号所有信号分量的参数估计；

S140计算每个距离单元的平均调频率：

对于平稳运动目标，处于每个距离单元内的散射点回波调频率相同，且该调频率与距离单元数成线性关系，即：

式中：z(t)为回波信号，该距离单元内共有I个散射点，α_i与β_i分别为所估计的回波信号初频率与调频率，且有其中[x_i,y_i]为散射点的坐标，ω为目标的转动角速度，考虑到每个距离单元内的距离坐标相同，该单元内的散射点具有相同的调频率，因此，其平均调频率为：

非平稳运动目标的回波与平稳运动目标不同，其处于统一距离单元内的散射点调频率不再相同，但可分解为两部分，由下式表示，

β_i＝β_ai+β_bi (15)

其中：与该散射点回波信号的初频率成正比，且比例系数为 与距离单元数成正比，考虑到上述不同，在计算平均调频率时，采用权重OLS算法(权重最小二乘算法)对同一距离单元内不同散射点的初频率与调频率进行拟合，即：

式中：及分别为0次与1次拟合系数，则平均调频率可表示为：

进一步的，在步骤S200中，注意到各个距离单元的平均调频率与距离单元序号x呈线性关系，因此采用权重OLS拟合不同距离单元调频率与距离单元号之间的关系，即：

式中：E_z(x_i)为该距离单元的信号能量；为拟合一次项系数，则目标的平均RV可表示为：

进一步的，在步骤S300中，根据ISAR成像的原理，其距离维分辨率为：

其仅于发射信号带宽有关，因此代入ISAR信号(逆合成孔径雷达信号)参数后，即可计算得到ISAR图像的距离维分辨率，

而ISAR成像的方位维分辨率为：

代入步骤S200计算得到的RV即可计算得到ISAR图像的方位维分辨率，

根据距离维与方位维分辨率对原始ISAR图像做相应方向的拉伸或压缩，使之横纵坐标尺度相同，最终完成ISAR图像定标。

本发明的有益效果在于：本发明所设计的方法可以有效估计ISAR图像的方位维分辨率，对原始ISAR图像的方位维尺度进行标注并对原始ISAR图像进行重排，以适应目标的真实尺寸比例。

附图说明

图1为RCCD变换估计信号相位参数示意图，其中：

图1(a)为ICPF变换结果图；

图1(b)为Radon变换结果图；

图2为一种基于RCCD变换的逆合成孔径雷达定标方法得算法流程图；

图3为实测目标模型图(雅克42飞机)；

图4为实测目标ISAR定标过程及结果图，其中：

图4(a)为原始ISAR图像(平稳运动数据段)；

图4(b)平均调频率估计及拟合结果(平稳运动数据段)；

图4(c)重排后的ISAR图像(平稳运动数据段)；

图4(d)原始ISAR图像(非平稳运动数据段)；

图4(e)平均调频率估计及拟合结果(非平稳运动数据段)；

图4(f)重排后的ISAR图像(非平稳运动数据段)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图2所示，本发明提供了本发明通过以下技术方案实现：一种基于RCCD变换的逆合成孔径雷达定标方法，所述逆合成孔径雷达定标方法包括以下步骤：

S100信号调频率估计：基于信号能量，寻找包含有强散射点的回波距离单元，对每个包含有强散射点的回波距离单元分别进行信号调频率估计，得到估计结果；

S200目标RV估计：采用OLS算法，将步骤S100中计算得到的各回波距离单元调频率估计结果进行拟合，并根据拟合结果计算目标RV；

S300分辨率计算及ISAR图像重排：将目标RV计算结果代入方位维分辨率计算公式，获得ISAR图像的方位维分辨率；将信号参数信息代入距离维分辨率计算公式，获得ISAR图像的距离维分辨率；根据计算方位维分辨率及距离维分辨率进行ISAR图像重排，完成图像定标。

在本部分优选实施例中，在步骤S100中，采用RCCD变换实现对信号的调频率估计。

在本部分优选实施例中，在步骤S200中，平稳运动目标的RV为恒定值时，通过拟合结果中的一次项系数计算得到；非平稳运动目标的RV为时变值时，通过拟合结果结合信号调频率估计结果进行计算得到。

在本部分优选实施例中，在步骤S100中，还包括以下步骤：

S110构造三阶小波基对回波信号进行表示：

所构造的三阶小波基为：

式中：σ_k、t_k、α_k,β_k,γ_k分别为宽度因子，中心时间，初频率，调频率，调频变化率，

利用所构造的三阶小波基对回波信号进行表示，即：

式中：S(n)为待估计信号；A_k为该信号在对应小波基上的投影，

S120估计相位参数(α_k,β_k,γ_k):

首先，对待估信号进行ICPF变换，即：

经过ICPF变换，回波信号能量集中于直线v＝2β_k+6γ_kn，即：待估信号在n-v平面上表现为若干条直线，如图1(a)所示，

继而，可以采用Radon变换进行图像直线检测，Radon变换的公式为：

式中：p、q分别为直线的截距和斜率，经过Radon变换，回波信号能量已集中于某一点，表现在p-q平面上为尖峰，如图1(b)所示，

然后进行二维谱峰搜索估计信号调频率与调频变化率，即：

式中：即为p-q平面上峰值坐标，

最后消除高阶相位项，对信号初频率进行估计，即：

S130估计幅度参数(t_k,σ_k,A_k)：

在对相位参数完成估计后，需要消除所估计的信号相位项，以避免其对幅度参数估计所产生的影响，即：将回波信号与相位估计项共轭相乘，如下式所示，

则，信号中心时间t_k可估计为：

信号尺度因子σ_k可估计为：

信号投影强度A_k可估计为：

公式(3)至公式(12)实现了对一个三阶小波基的参数估计，当回波信号包含有多个小波基时，采用CLEAN技术去除已估计的小波基分量，重复采用公式(3)至公式(12)对其他小波基进行参数估计，直到完成对回波信号所有信号分量的参数估计；

S140计算每个距离单元的平均调频率：

对于平稳运动目标，处于每个距离单元内的散射点回波调频率相同，且该调频率与距离单元数成线性关系，即：

式中：z(t)为回波信号，该距离单元内共有I个散射点，α_i与β_i分别为所估计的回波信号初频率与调频率，且有其中[x_i,y_i]为散射点的坐标，ω为目标的转动角速度，考虑到每个距离单元内的距离坐标相同，该单元内的散射点具有相同的调频率，因此，其平均调频率为：

非平稳运动目标的回波与平稳运动目标不同，其处于统一距离单元内的散射点调频率不再相同，但可分解为两部分，由下式表示，

β_i＝β_ai+β_bi (15)

其中：与该散射点回波信号的初频率成正比，且比例系数为 与距离单元数成正比，考虑到上述不同，在计算平均调频率时，采用权重OLS算法对同一距离单元内不同散射点的初频率与调频率进行拟合，即：

式中：及分别为0次与1次拟合系数，则平均调频率可表示为：

在本部分优选实施例中，在步骤S200中，注意到各个距离单元的平均调频率与距离单元序号x呈线性关系，因此采用权重OLS拟合不同距离单元调频率与距离单元号之间的关系，即：

式中：E_z(x_i)为该距离单元的信号能量；为拟合一次项系数，则目标的平均RV可表示为：

在本部分优选实施例中，在步骤S300中，根据ISAR成像的原理，其距离维分辨率为：

其仅于发射信号带宽有关，因此代入ISAR信号参数后，即可计算得到ISAR图像的距离维分辨率，

而ISAR成像的方位维分辨率为：

代入步骤S200计算得到的RV即可计算得到ISAR图像的方位维分辨率，

根据距离维与方位维分辨率对原始ISAR图像做相应方向的拉伸或压缩，使之横纵坐标尺度相同，最终完成ISAR图像定标。

实施算例：

分别采用平稳目标与非平稳目标的实测数据对本发明所设计的ISAR定标方法进行验证，并对过程结果进行说明。

实测数据的成像目标为雅克42飞机目标，其真实尺寸如图3所示。分别采用两段实测数据对本发明方法进行验证，两段数据分别对应于平稳运动段及非平稳运动段。在平稳运动段，未经定标处理的原始ISAR图像如图4(a)所示。步骤S100进行调频率估计后，各距离单元的估计结果如图4(b)中红色星号所示。步骤S200进行线性拟合后的结果如图中蓝色直线所示，RV估计结果为ω＝0.0151rad/s。步骤三分辨率计算的结果为距离维分辨率0.375m，方位维分辨率0.89m，进而重排后的ISAR图像如图4(c)所示。非平稳运动段未经定标处理的原始ISAR图像如图4(d)所示。步骤S100进行调频率估计后，各距离单元的估计结果如图4(e)中红色星号所示。步骤S200进行线性拟合后的结果如图中蓝色直线所示，RV估计结果为ω＝0.0155rad/s。步骤S300分辨率计算的结果为距离维分辨率0.375m，方位维分辨率0.77m，进而重排后的ISAR图像如图4(f)所示。

综上所述，仿真数据处理结果及实测数据处理结果均说明本发明所设计的方法可以有效估计ISAR图像的方位维分辨率，对原始ISAR图像的方位维尺度进行标注并对原始ISAR图像进行重排，以适应目标的真实尺寸比例。

Claims (5)

1.一种基于RCCD变换的逆合成孔径雷达定标方法，其特征在于，所述逆合成孔径雷达定标方法包括以下步骤：

S100信号调频率估计：基于信号能量，寻找包含有强散射点的回波距离单元，对每个包含有强散射点的回波距离单元分别进行信号调频率估计，针对回波信号形式为线性调频信号这一特点，采用RCCD变换实现对信号的调频率估计，得到估计结果；

S200目标RV估计：采用OLS算法，将步骤S100中计算得到的各回波距离单元调频率估计结果进行拟合，并根据拟合结果计算目标RV；

S300分辨率计算及ISAR图像重排：将目标RV计算结果代入方位维分辨率计算公式，获得ISAR图像的方位维分辨率；将信号参数信息代入距离维分辨率计算公式，获得ISAR图像的距离维分辨率；根据计算方位维分辨率及距离维分辨率进行ISAR图像重排，完成图像定标。

2.根据权利要求1所述的一种基于RCCD变换的逆合成孔径雷达定标方法，其特征在于，在步骤S200中，平稳运动目标的RV为恒定值时，通过拟合结果中的一次项系数计算得到；非平稳运动目标的RV为时变值时，通过拟合结果结合信号调频率估计结果进行计算得到。

3.根据权利要求1所述的一种基于RCCD变换的逆合成孔径雷达定标方法，其特征在于，在步骤S100中，还包括以下步骤：

S110构造三阶小波基对回波信号进行表示：

所构造的三阶小波基为：

式中：σ_k、t_k、α_k,β_k,γ_k分别为宽度因子，中心时间，初频率，调频率，调频变化率，

利用所构造的三阶小波基对回波信号进行表示，即：

式中：S(n)为待估计信号；A_k为该信号在对应小波基上的投影，

S120估计相位参数(α_k,β_k,γ_k):

首先，对待估信号进行ICPF变换，即：

经过ICPF变换，回波信号能量集中于直线v＝2β_k+6γ_kn，即：待估信号在n-v平面上表现为若干条直线，

继而，可以采用Radon变换进行图像直线检测，Radon变换的公式为：

式中：p、q分别为直线的截距和斜率，经过Radon变换，回波信号能量已集中于某一点，表现在p-q平面上为尖峰，

然后进行二维谱峰搜索估计信号调频率与调频变化率，即：

式中：即为p-q平面上峰值坐标，

最后消除高阶相位项，对信号初频率进行估计，即：

S130估计幅度参数(t_k,σ_k,A_k)：

在对相位参数完成估计后，需要消除所估计的信号相位项，以避免其对幅度参数估计所产生的影响，即：将回波信号与相位估计项共轭相乘，如下式所示，

则，信号中心时间t_k可估计为：

信号尺度因子σ_k可估计为：

信号投影强度A_k可估计为：

公式(3)至公式(12)实现了对一个三阶小波基的参数估计，当回波信号包含有多个小波基时，采用CLEAN技术去除已估计的小波基分量，重复采用公式(3)至公式(12)对其他小波基进行参数估计，直到完成对回波信号所有信号分量的参数估计；

S140计算每个距离单元的平均调频率：

对于平稳运动目标，处于每个距离单元内的散射点回波调频率相同，且该调频率与距离单元数成线性关系，即：

式中：z(t)为回波信号，该距离单元内共有I个散射点，α_i与β_i分别为所估计的回波信号初频率与调频率，且有其中[x_i,y_i]为散射点的坐标，ω为目标的转动角速度，考虑到每个距离单元内的距离坐标相同，该单元内的散射点具有相同的调频率，因此，其平均调频率为：

非平稳运动目标的回波与平稳运动目标不同，其处于统一距离单元内的散射点调频率不再相同，但可分解为两部分，由下式表示，

β_i＝β_ai+β_bi (15)

其中：与该散射点回波信号的初频率成正比，且比例系数为 与距离单元数成正比，考虑到上述不同，在计算平均调频率时，采用权重OLS算法对同一距离单元内不同散射点的初频率与调频率进行拟合，即：

式中：及分别为0次与1次拟合系数，则平均调频率表示为：

4.根据权利要求1所述的一种基于RCCD变换的逆合成孔径雷达定标方法，其特征在于，在步骤S200中，注意到各个距离单元的平均调频率与距离单元序号x呈线性关系，因此采用权重OLS拟合不同距离单元调频率与距离单元号之间的关系，即：

式中：E_z(x_i)为该距离单元的信号能量；为拟合一次项系数，则目标的平均RV可表示为：

5.根据权利要求1所述的一种基于RCCD变换的逆合成孔径雷达定标方法，其特征在于，在步骤S300中，根据ISAR成像的原理，其距离维分辨率为：

其仅于发射信号带宽有关，因此代入ISAR信号参数后，即可计算得到ISAR图像的距离维分辨率，

而ISAR成像的方位维分辨率为：

代入步骤S200计算得到的RV即可计算得到ISAR图像的方位维分辨率，

根据距离维与方位维分辨率对原始ISAR图像做相应方向的拉伸或压缩，使之横纵坐标尺度相同，最终完成ISAR图像定标。